非常實(shí)用的高頻PCB電路設計20問(wèn)

　　1、如何選擇PCB 板材料?

　　對于選擇PCB板材，必須在滿(mǎn)足設計需求和可量產(chǎn)性以及成本的中間取得平衡點(diǎn)。設計需求包含電氣和機構這兩個(gè)部分。而通常在設計非常高速的 PCB 板子(大于 GHz 的頻率)時(shí)，這材質(zhì)問(wèn)題會(huì )比較重要。例如，現在常用的FR-4 材質(zhì)中，在幾個(gè)GHz 的頻率時(shí)的介質(zhì)損耗(dielectric loss)會(huì )對信號衰減有很大的影響，可能就不適用。而就電氣來(lái)說(shuō)，要注意介電常數(dielectric constant)和介質(zhì)損在所設計的頻率是否合用。

　　2、如何避免高頻的干擾?

　　避免高頻干擾的基本思路為盡量降低高頻信號電磁場(chǎng)的干擾，也就所謂的串擾(Crosstalk)?？捎美蟾咚傩盘栆约澳M信號之間的距離，或者加 ground guard/shunt traces 在模擬信號旁邊。還必須注意數字地對模擬地的噪聲干擾。

　　3、在高速設計中，如何去解決信號的完整性問(wèn)題?

　　信號完整性基本上為阻抗匹配的問(wèn)題。而影響阻抗匹配的因素有信號源的架構以及輸出阻抗(output impedance)，走線(xiàn)的特性阻抗，負載端的特性，走線(xiàn)的拓樸(topology)架構等。解決的方式為靠端接(termination)與調整走線(xiàn)的拓樸。

　　4、那差分布線(xiàn)方式是如何實(shí)現的?

　　差分對的布線(xiàn)有兩點(diǎn)要注意的，一為兩條線(xiàn)的長(cháng)度要盡量一樣長(cháng)，二是兩線(xiàn)的間距(此間距由差分阻抗決定)要一直保持不變，也就是要保持平行。平行的方式有兩種，一是兩條線(xiàn)走在同一走線(xiàn)層(side-by-side)，二為兩條線(xiàn)走在上下相鄰兩層(over-under)。一般以前者 side-by-side(并排, 并肩) 實(shí)現的方式比較多。

　　5、對于只有一個(gè)輸出端的時(shí)鐘信號線(xiàn)，是如何實(shí)現差分布線(xiàn)的?

　　要用差分布線(xiàn)時(shí)，一定是信號源和接收端也都是差分信號才有意義。故對只有一個(gè)輸出端的時(shí)鐘信號是無(wú)法使用差分布線(xiàn)的。

　　6、接收端差分線(xiàn)對之間可否加一匹配電阻?

　　接收端差分線(xiàn)對間的匹配電阻通常是會(huì )加的, 其值應該等于差分阻抗的值。這樣信號質(zhì)量才會(huì )好些。

　　7、為何差分對的布線(xiàn)要靠近并且平行?

　　對差分對的布線(xiàn)方式是要適當的靠近且平行。所謂適當的靠近即因為這間距是會(huì )影響到差分阻抗(differential impedance)的值，而此值是設計差分對的重要參數。需要平行也是因為要保持差分阻抗的一致性。若兩線(xiàn)忽遠忽近, 差分阻抗就會(huì )不一致, 就會(huì )影響信號完整性(signal integrity)及時(shí)間延遲(timing delay)。

　　8、如何處理實(shí)際布線(xiàn)中的一些理論沖突的問(wèn)題

　　基本上, 將模/數地分割隔離是對的。 要注意的是信號走線(xiàn)盡量不要跨過(guò)有分割的地方(moat), 還有不要讓電源和信號的回流電流路徑(returning current path)變太大。

　　晶振是模擬的正反饋振蕩電路, 要有穩定的振蕩信號, 必須滿(mǎn)足loop gain 與 phase 的規范, 而這模擬信號的振蕩規范很容易受到干擾, 即使加 ground guard traces 可能也無(wú)法完全隔離干擾。而且離的太遠,地平面上的噪聲也會(huì )影響正反饋振蕩電路。 所以, 一定要將晶振和芯片的距離進(jìn)可能靠近。

　　確實(shí)高速布線(xiàn)與 EMI 的要求有很多沖突。但基本原則是因 EMI 所加的電阻電容或 ferrite bead, 不能造成信號的一些電氣特性不符合規范。 所以, 最好先用安排走線(xiàn)和 PCB 迭層的技巧來(lái)解決或減少 EMI的問(wèn)題, 如高速信號走內層。最后才用電阻電容或 ferrite bead 的方式, 以降低對信號的傷害。

　　9、如何解決高速信號的手工布線(xiàn)和自動(dòng)布線(xiàn)之間的矛盾?

　　現在較強的布線(xiàn)軟件的自動(dòng)布線(xiàn)器大部分都有設定約束條件來(lái)控制繞線(xiàn)方式及過(guò)孔數目。各家 EDA公司的繞線(xiàn)引擎能力和約束條件的設定項目有時(shí)相差甚遠。 例如, 是否有足夠的約束條件控制蛇行線(xiàn)(serpentine)蜿蜒的方式, 能否控制差分對的走線(xiàn)間距等。 這會(huì )影響到自動(dòng)布線(xiàn)出來(lái)的走線(xiàn)方式是否能符合設計者的想法。 另外, 手動(dòng)調整布線(xiàn)的難易也與繞線(xiàn)引擎的能力有絕對的關(guān)系。 例如, 走線(xiàn)的推擠能力,過(guò)孔的推擠能力, 甚至走線(xiàn)對敷銅的推擠能力等等。 所以, 選擇一個(gè)繞線(xiàn)引擎能力強的布線(xiàn)器, 才是解決之道。

　　10、關(guān)于 test coupon。

　　test coupon 是用來(lái)以 TDR (Time Domain Reflectometer) 測量所生產(chǎn)的 PCB 板的特性阻抗是否滿(mǎn)足設計需求。 一般要控制的阻抗有單根線(xiàn)和差分對兩種情況。 所以， test coupon 上的走線(xiàn)線(xiàn)寬和線(xiàn)距(有差分對時(shí))要與所要控制的線(xiàn)一樣。 最重要的是測量時(shí)接地點(diǎn)的位置。 為了減少接地引線(xiàn)(ground lead)的電感值， TDR 探棒(probe)接地的地方通常非常接近量信號的地方(probe tip)， 所以， test coupon 上量測信號的點(diǎn)跟接地點(diǎn)的距離和方式要符合所用的探棒。

　　11、在高速 PCB 設計中，信號層的空白區域可以敷銅，而多個(gè)信號層的敷銅在接地和接電源上應如何分配?

　　一般在空白區域的敷銅絕大部分情況是接地。 只是在高速信號線(xiàn)旁敷銅時(shí)要注意敷銅與信號線(xiàn)的距離， 因為所敷的銅會(huì )降低一點(diǎn)走線(xiàn)的特性阻抗。也要注意不要影響到它層的特性阻抗， 例如在 dual strip line 的結構時(shí)。

　　12、是否可以把電源平面上面的信號線(xiàn)使用微帶線(xiàn)模型計算特性阻抗?電源和地平面之間的信號是否可以使用帶狀線(xiàn)模型計算?

　　是的， 在計算特性阻抗時(shí)電源平面跟地平面都必須視為參考平面。 例如四層板: 頂層-電源層-地層-底層，這時(shí)頂層走線(xiàn)特性阻抗的模型是以電源平面為參考平面的微帶線(xiàn)模型。

　　13、在高密度印制板上通過(guò)軟件自動(dòng)產(chǎn)生測試點(diǎn)一般情況下能滿(mǎn)足大批量生產(chǎn)的測試要求嗎?

　　一般軟件自動(dòng)產(chǎn)生測試點(diǎn)是否滿(mǎn)足測試需求必須看對加測試點(diǎn)的規范是否符合測試機具的要求。另外，如果走線(xiàn)太密且加測試點(diǎn)的規范比較嚴，則有可能沒(méi)辦法自動(dòng)對每段線(xiàn)都加上測試點(diǎn)，當然，需要手動(dòng)補齊所要測試的地方。

　　14、添加測試點(diǎn)會(huì )不會(huì )影響高速信號的質(zhì)量?

　　至于會(huì )不會(huì )影響信號質(zhì)量就要看加測試點(diǎn)的方式和信號到底多快而定?；旧贤饧拥臏y試點(diǎn)(不用在線(xiàn)既有的穿孔(via or DIP pin)當測試點(diǎn))可能加在在線(xiàn)或是從在線(xiàn)拉一小段線(xiàn)出來(lái)。前者相當于是加上一個(gè)很小的電容在在線(xiàn)，后者則是多了一段分支。這兩個(gè)情況都會(huì )對高速信號多多少少會(huì )有點(diǎn)影響，影響的程度就跟信號的頻率速度和信號緣變化率(edge rate)有關(guān)。影響大小可透過(guò)仿真得知。原則上測試點(diǎn)越小越好(當然還要滿(mǎn)足測試機具的要求)分支越短越好。

　　15、若干 PCB 組成系統，各板之間的地線(xiàn)應如何連接?

　　各個(gè) PCB 板子相互連接之間的信號或電源在動(dòng)作時(shí)，例如 A 板子有電源或信號送到 B 板子，一定會(huì )有等量的電流從地層流回到 A 板子 (此為 Kirchoff current law)。這地層上的電流會(huì )找阻抗最小的地方流回去。所以，在各個(gè)不管是電源或信號相互連接的接口處，分配給地層的管腳數不能太少，以降低阻抗，這樣可以降低地層上的噪聲。另外，也可以分析整個(gè)電流環(huán)路，尤其是電流較大的部分，調整地層或地線(xiàn)的接法，來(lái)控制電流的走法(例如，在某處制造低阻抗，讓大部分的電流從這個(gè)地方走)，降低對其它較敏感信號的影響。

　　16、能介紹一些國外關(guān)于高速 PCB 設計的技術(shù)書(shū)籍和數據嗎?

　　現在高速數字電路的應用有通信網(wǎng)路和計算器等相關(guān)領(lǐng)域。在通信網(wǎng)路方面，PCB 板的工作頻率已達 GHz 上下，疊層數就我所知有到 40 層之多。計算器相關(guān)應用也因為芯片的進(jìn)步，無(wú)論是一般的 PC 或服務(wù)器(Server)，板子上的最高工作頻率也已經(jīng)達到 400MHz (如 Rambus) 以上。因應這高速高密度走線(xiàn)需求，盲埋孔(blind/buried vias)、mircrovias 及 build-up 制程工藝的需求也漸漸越來(lái)越多。 這些設計需求都有廠(chǎng)商可大量生產(chǎn)。

　　17、兩個(gè)常被參考的特性阻抗公式：

　　微帶線(xiàn)(microstrip) Z={87/[sqrt(Er+1.41)]}ln[5.98H/(0.8W+T)] 其中，W 為線(xiàn)寬，T 為走線(xiàn)的銅皮厚度，H 為走線(xiàn)到參考平面的距離，Er 是 PCB 板材質(zhì)的介電常數(dielectric constant)。此公式必須在0.1<(W/H)<2.0 及 1<(Er)<15 的情況才能應用。

　　帶狀線(xiàn)(stripline) Z=[60/sqrt(Er)]ln{4H/[0.67π(T+0.8W)]} 其中，H 為兩參考平面的距離，并且走線(xiàn)位于兩參考平面的中間。此公式必須在 W/H<0.35 及 T/H<0.25 的情況才能應用。

　　18、差分信號線(xiàn)中間可否加地線(xiàn)?

　　差分信號中間一般是不能加地線(xiàn)。因為差分信號的應用原理最重要的一點(diǎn)便是利用差分信號間相互耦合(coupling)所帶來(lái)的好處，如 flux cancellation，抗噪聲(noise immunity)能力等。若在中間加地線(xiàn)，便會(huì )破壞耦合效應。

　　19、剛柔板設計是否需要專(zhuān)用設計軟件與規范?國內何處可以承接該類(lèi)電路板加工?

　　可以用一般設計 PCB 的軟件來(lái)設計柔性電路板(Flexible Printed Circuit)。一樣用 Gerber 格式給 FPC廠(chǎng)商生產(chǎn)。由于制造的工藝和一般 PCB 不同，各個(gè)廠(chǎng)商會(huì )依據他們的制造能力會(huì )對最小線(xiàn)寬、最小線(xiàn)距、最小孔徑(via)有其**。除此之外，可在柔性電路板的轉折處鋪些銅皮加以補強。至于生產(chǎn)的廠(chǎng)商可上網(wǎng)“FPC”當關(guān)鍵詞查詢(xún)應該可以找到。

　　20、適當選擇 PCB 和外殼接地的點(diǎn)的原則為?

　　選擇PCB與外殼接地點(diǎn)選擇的原則，即是利用 chassis ground 提供低阻抗的路徑給回流電流(returning current)和控制此回流電流的路徑。比如，通常在高頻器件或者時(shí)鐘產(chǎn)生器的附近，可以借固定用的螺絲將 PCB的地層和 chassis ground 做連接，來(lái)盡量減小整個(gè)電流回路的面積，也就是減少電磁輻射。